KR101906030B1 - 레이저를 이용하여 용접층을 따라 열가소성 합성 재료들로 이루어진 결합될 두 부분을 용접하기 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

Abstract

레이저 빔(2)을 갖는 레이저 작동에 의해 용접층(3)을 따라 결합될 두 열가소성 부분(8, 9)을 용접하기 위한 시스템으로서, 이러한 레이저 레이저 빔(2)은 - 생산될 용접층 코스에 상응하는 제어 데이터를 이용한 제어 방법에 의해 작업 영역(A) 내에서 자신의 빔 방향(R)으로 제어되고, - 용접을 발생시키는 자신의 초점(f) 둘레의 영역 내에 연결 평면(F) 내에서 생산될 용접층(S)의 타깃 너비(B)보다 더 작으며 연결 평면(F) 상의 레이저 빔(2)의 입사각(W)에 및/또는 연결 평면(F)에 대한 초점(f)의 위치에 의존하는 빔 치수, 특히 빔 지름(d)을 포함하고, - 생산될 용접층(S)의 경로를 따라 주요 진전 방향(H)의 제1 선형 이동 성분 내에서 이동되고, 진동폭 너비(OAW)를 갖는 주요 진전 방향(H)에 대해 횡방향인 용접층 너비(B)를 커버하기 위해서 제1 선형 이동 성분에 겹쳐지는 제2 진동 이동 성분 내에서 이동되며, - 주요 진전 방향(H)에 대한 횡방향으로 레이저 빔(2)에 의해 통과되는 빔 영역의 너비가 용접층(S)의 타깃 너비(B)와 일치하는 방식으로 연결 평면(F) 내의 빔 치수, 바람직하게는 빔 지름(d)에 역으로 의존하여 자신의 진동폭 너비(OAW) 내에서 제어 방법에 의해 설정된다.

Description

레이저를 이용하여 용접층을 따라 열가소성 합성 재료들로 이루어진 결합될 두 부분을 용접하기 위한 방법 및 디바이스{METHOD AND DEVICE FOR WELDING TWO THERMOPLASTIC PARTS TO BE JOINED ALONG A WELD SEAM BY MEANS OF A LASER}

본 특허 출원은 독일 특허 출원 DE 10 2014 210 486.6의 우선권을 주장하며, 이것의 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.

본 발명은 각각 청구항 제1항 및 제16항의 서두에 명시된 특성들을 갖는 레이저를 이용하여 용접층(weld seam)을 따라 열가소성 합성 재료들로 이루어진 결합될 두 부분의 용접을 위한 방법 및 디바이스에 관한 것이다.

이러한 결합 기술은, 예를 들어 DE 10 2004 056 782 A1 또는 DE 10 2007 049 362 A1로부터 알려져 있다. 실질적으로, 이러한 맥락에서, 결합될 두 개의 적절하게 장착되고 클램핑된 부분들이 생산될 용접층을 따라 동작 필드 내에서 레이저 빔으로 조사되고(irradiated), 이때 레이저 빔의 빔 방향은 생산될 용접층 코스에 상응하는 제어 데이터를 갖는 상응하는 제어 방법에 의해 제어된다. 또한, 여기에서 용접층을 따르는 조사는 소위 윤곽 용접(contour welding)을 이용하여 구현될 수 있음이 알려져 있으며, 이때 각각의 용접층 위치가 레이저 빔에 의해서 한번 조사된다. 대안으로서, 스캐너 용접(quasi-simultaneous welding) 또한 구현될 수 있으며, 여기에서 레이저 빔은 짧은 시간 간격으로 다수회에 걸쳐 용접층 코스 위에서 가이드된다.

또한, 명명된 문서들로부터 초점 범위, 즉 특히 연결 평면 내의 빔 지름인 초점 범위가 생산될 용접층의 폭보다 더 작음이 알려져 있다. 상응하는 폭의 용접층을 생산하기 위해서, 위에서 명명된 DE 10 2004 056 782 A1는 생산될 용접층의 트랙을 따르는 주요 순공급 방향 내의 제1 선형 이동 성분 및 주요 순공급 방향에 대해 횡방향인 용접층 너비를 커버하도록 진동폭 너비를 가지고 전자에 대해 중첩되는 제2 진동 이동 성분 내의 초점 구역을 갖는 레이저 빔을 이동시키는 것을 제안한다. 예를 들어 주요 순공급 방향을 따르는 직선 이동에 대한 원형 진동 이동 성분의 중첩의 경우에, 레이저 초점의 나선으로 연장하는 경로가 그에 따라 획득되며, 이때 연속적인 나선형 스크로크는 진동 주파수와 순공급 속도 사이의 속도에 다소 강하게 의존하여 서로 겹쳐진다. 전체적으로, 연결 평면 내의 레이저 초점에 의해 조사되는 영역 내의 열 공급을 통해서 결합될 두 부분 중 적어도 하나의 열가소성 재료가 융해되며, 결합될 두 번째 부분의 열 전도 및 융해를 통해서 결합될 두 부분 사이에서의 용접이 획득된다.

용접-플랜트 기술의 측면에서, 전술된 용접 방법은 일반적으로 빔 편향을 위한 갈바노 스캐너(galvanometer scanner)를 가지고 구현되며, 이를 통해서 레이저 빔이 상응하는 편향에 의해 정의된 동작 필드 위에서 가이드될 수 있다. 이러한 맥락에서, 소위 f-세타 렌즈가 이미징 옵틱에서 사용되며, 이것은 광학축 상에서 직접 연장하는 빔의 경우에서와 동일한 평면 내에 초점 위치가 배치되는 방식으로 광학축의 옆으로 렌즈를 통과해 떨어지는 빔을 포커싱하는 속성을 가진다. 이러한 f-세타 렌즈는 전형적으로 초점 위치 적응 기능이 주어진 파장에 대해 잘 기능하도록 하는 형태를 가지고 설계된 2개 내지 4개의 비구형 렌즈의 조합으로부터 구성된다.

레이저 용접의 경우에서, 고온계와 같은 측정 장치를 빔 코스에 커플링하기 위한 프로세스 조정 및 제어가 바람직하다. 그러나, f-세타 렌즈로 인해서, 만약 스캐너가 점점 더 편향된다면 고온계의 광학축 및 용접점의 멀어지는 횡방향 운동이 발생할 수 있다. 이 정도로, 고온계에 의한 용접점의 검출은 더 이상 보장되지 않는다.

이제, 만약 f-세타 렌즈가 생략된다면, 레이저 플랜트의 광학축으로부터의 편향이 증가하면서, 즉 연결 평면 상으로의 레이저 빔의 입사각이 증가하면서 레이저 빔은 연결 평면 밖의 자신의 초점과 배치되고 따라서 초점해제 되며, 그에 따라 용접점이 점점 더 넓어진다.

또한, 레이저 빔의 초점해제는 연결 평면이 초점 위치에 대해 이동될 때, 예를 들어 결합될 두 부분이 용접층을 따라 적어도 미세하게 스텝화된 코스를 가정하는 경우에도 관찰된다.

사실, 전술된 초점해제 현상은 그 자체로서 연결 평면으로의 에너지 입력을 견딜 수 있지만, 주어진 진동폭 너비를 가지고, 주요 순공급 방향에 대해 횡방향인 조사된 영역이 광학축으로부터 증가하는 편향으로 넓어지는 용접점의 결과로서 점점 더 커지며, 그에 따라 용접층 또한 더욱 넓어진다.

이것으로부터 시작하여, 본 발명의 목적은 결합될 두 부분의 용접을 위한 방법 및 상응하는 디바이스를 제공하는 것이며, 여기에서 연결 평면 상의 레이저 빔의 편각(angle of deflection) 및/또는 연결 평면에 대한 초점 위치의 상대적인 위치에 무관하게, f-세타 렌즈의 사용 없이 정의된 용접층 폭이 보장된다.

이러한 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 명시된 제어 방법에 의해 획득되며, 이에 따르면 레이저 빔에 의해 스캐닝되는 빔 필드의 너비가 용접층 너비의 주요 순공급 방향과 관련하여 횡방향으로 빔 치수와 무관하게 용접층 너비와 일치하는 방식으로, 진동폭 너비가 연결 평면 내에서 빔 치수, 특히 빔 지름에 역으로 의존하여 조정된다.

다시 말하면, 연결 평면 내의 빔 치수 확대의 경우에, 즉 예를 들어 보다 강하게 편향된 레이저 빔을 갖는 비교적 더욱 큰 빔 지름의 경우에, 진동폭 너비가 감소되고 그에 따라 용접층이 생성되는 레이저 빔에 의해 스캐닝되는 통로의 최대 폭이 타깃 용접층 폭에 일치한다.

디바이스 기술의 측면에서, 청구범위 제16항에 따라 그 자체로서 알려진 용접 디바이스가 이러한 제어 방법으로 자신의 스캐너 디바이스에서 제어된다.

본 발명에 따른 용접 시스템은 합성 재료 용접의 맥락에서 복수의 서로 다른 필요조건 프로파일들에서의 유연한 사용에 대한 가능성에 의해 특징지어진다. 알려진 시스템과 비교함으로써, 동시에 작은 용접점(weld-spot)을 갖는 확대된 동작 필드가 높은 빔 품질의 레이저를 사용함으로써 구현될 수 있다. 디포커싱의 보상이 구현될 수 있을 뿐 아니라, 특히 일반적으로 용접측 너비의 유연한 조정가능성이 진동폭 너비의 제어를 통해 어려움 없이 구현될 수 있다. 마지막으로, 기술된 바와 같이 종래기술에서 사용되는 f-세타 렌즈와 연관된 한계가 발생하지 않기 때문에, 예를 들어 고온계를 통한 지능적 프로세스 제어가 어려움 없이 상응하는 용접 시스템 내에 통합될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 추가적인 발전들은 종속항에 명시되었다. 따라서, 레이저 빔의 제2 진동 이동 성분이 제1 선형 이동 성분 위에 중첩된 원형 이동에 의해 생성되는 것이 바람직하다. 이러한 제2 진동 이동 성분은 예를 들어 수직 또는 수평의 8자 모양 형태로 실제 원형 이동, 타원형 순환 이동 또는 닫힌 진동 곡선을 통해서도 실질적으로 생성될 수 있다. 각각의 경우에, 진동폭 너비는 일정한 타깃 용접층 너비가 생성되는 방식으로 연결 평면 내에 존재하는 빔 지름에 상응하게 적응된다.

주어진 용접층 시스템에 대한 레이저 빔의 빔 방향이 연결 평면 내의 초점 치수와의 알려진 관계를 방해하기 때문에, 상응하는 진동폭 너비는 레이저 빔의 빔 방향에 대한 제어 데이터에 기초한 단순한 제어 기술을 이용하여 레이저 빔의 빔 방향에 따라 조정될 수 있다. 따라서, 빔 방향을 결정하는 파라미터로서의 레이저 빔의 편향 각도는 진동폭 너비를 명시하기 위한 기반으로서 사용될 수 있다.

전술된 진동폭 너비의 전술된 사항에 더하여 또는 그와 다르게, 본 발명에 따른 방법을 이용하여, 스텝에 의해 발생되는 연결 평면 내의 빔 지름에서의 변화에 상응하게 진동폭 너비를 적응시키도록, 예를 들어 연결 평면의 스텝화된 코스의 경우에서도, 결합될 부분들의 제한된 3차원수가 또한 보상될 수 있다. 용접 시스템의 제어에서 저장되는 결합될 두 부분들의 형태 데이터는 그 다음 진동폭 너비를 명시하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 결합될 두 부분 사이의 연결 평면 아래의 동작 필드의 중심 영역 내의 초점 위치 또는 각각 결합될 두 부분 사이의 연결 평면 위의 동작 필드의 에지 영역 내의 초점 위치가 조정될 수 있다. 따라서, 전체 동작 필드에 걸친 빔 치수의 최소로 가능한 변화가 양 방향에서 획득된다.

제2 진동 이동 성분의 바람직한 진동 주파수는 kHz 범위, 바람직하게는 0.25kHz와 12kHz 사이, 특히 바람직하게는 3kHz와 6kHz 사이에 있다.

진동폭 너비의 본 발명에 따른 보상의 맥락에서 f-세타 렌즈의 생략 가능성과 관련하여, 실질적인 측면에서, 동작 필드는 500×500㎟ 내지 1200×1200㎟, 바람직하게는 650×650㎟의 너비를 포함할 수 있다.

레이저 옵틱의 설계는 바람직하게는 레이저 빔의 초점이 0.3㎜ 내지 0.7㎜, 바람직하게는 0.4㎜의 최소 스팟 지름을 포함하도록 한다. 이러한 치수는 중첩된 순공급 및 진동 이동에 의한 밀리미터 범위의 용접층 너비를 갖는 용접층의 생산에 대해 충분히 큰 프로세스 윈도우를 가능하게 한다.

바람직한 방식으로, M² = 1.0 - 1.4의 범위 내의 높은 빔 품질을 갖는 빔이 빔의 생산에 사용된다. 따라서, 연결 평면의 영역 내의 비교적 높은 휘도(radiance)를 획득하기 위한 조건이 생성된다.

본 발명에 따른 방법의 다른 바람직한 추가적인 발전에 따르면, 레이저 빔의 빔 지름은, 스캐너 디바이스의 빔 방향 내의 상류에 있는 시준 및 포커싱 옵틱의 배치로 인해 3㎜와 10㎜ 사이의 범위에 놓이며, 그에 따라 반사된 빔의 영역 내에서 일반적으로 사용되는 스캐너 미러가 한정된 루미네이션(lumination)을 겪을 수 있다.

본 발명은 또한 바람직하게는 레이저 전송 프로세스를 이용하여 용접층을 따라 열가소성 합성 재료들로 이루어진 결합될 두 부분을 용접하기 위한 디바이스에 관련되며, 이러한 레이저 전송 프로세스는

- 레이저 소스,

- 결합될 부분들을 위한 클램핑 디바이스,

- 특히 시준 및 포커싱 렌즈 옵틱을 포함하는 광학 레이저빔 컨디셔닝, 및

- 결합될 두 부분 사이에 형성될 용접층을 따라 동작 필드 위에서 레이저 빔을 가이드하기 위한 스캐너 디바이스를 이용한다.

본 발명에 따른 디바이스는 연결 평면 내의 빔 치수에 역으로 의존하여 진동폭 너비가 조정되는 방식으로, 주요 순공급 방향에 대한 횡방향으로 레이저 빔에 의해 스캐닝된 빔 필드의 너비가 용접층의 타깃 너비와 일치하는 방식으로 본 발명에 따른 제어 방법에 의해 제어된다.

본 발명에 따른 이러한 디바이스의 장점과 관련하여, 상응하는 제어 방법에 관한 상응하는 심의에 대한 참조가 이루어질 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 광섬유 레이저가 이러한 맥락에서 용접 디바이스를 위해 사용된다. 참조에 의해서, 단일 모드 광섬유에 의한 빔 커플링이 구현된다. 스캐너 디바이스와 함께 우수한 빔 품질을 가진 이러한 레이저의 결과로서, 비교적 작은 빔 지름을 획득하는 것과 동시에 큰 동작 필드를 획득하는 것이 가능하다. 또한, 빔 포커스의 비교적 레일레이 길이(Rayleigh length) 또한 이러한 맥락에서 획득된다.

원칙적으로, 용접층 방향을 따르는 레이저 빔의 순공급 이동 및 또는 이에 횡방향인 진동 이동 모두를 보장하는 스캐너 디바이스로서 진동 미러 디바이스를 사용하는 것이 가능하다. 이것은 디바이스 기술의 측면에서의 합리적인 변이를 나타낸다.

그러나, 주요 순공급 방향을 따르는 레이저 빔의 제1 선형 이동 성분의 생성을 위한 제1 스캐너 유닛 및 주요 순공급 방향에 대해 횡방향인 제2 진동 이동 성분의 생성을 위한 제1 스캐너 디바이스의 상류에 접속된 제2 스캐너 유닛이 대안으로서 제공될 수 있다. 빔의 편향을 담당하는 성분들의 커플링 해제를 통해서, 후자는 각각 요구되는 역학에 대해 최적으로 적응될 수 있다. 따라서, kHz 범위 내의 제2 진동 이동 성분의 진동이 훨씬 더 동적이지만, 주요 순공급 방향에서의 이동보다 상당히 더 작은 진폭이 제공된다. 후자는 예를 들어 대략 초당 수백 내지 수천 밀리미터의 순공급 속도로 발생한다.

제2 진동 이동 성분의 진동을 생성하기 위한 스캐너 유닛과 관련하여, 공진 스캐너 또는 음향-옵틱 편향기가 제공될 수 있다.

마지막으로, 추가의 바람직한 실시예에서, 석영으로 제조된 거울이 스캐너 유닛에서 사용된다. 이것은 탄화실리콘으로부터 제조된 종래의 미러가 더욱 가볍고 그에 따라 고주파수 스캐닝 모션으로 설정하기에 더욱 쉬움에도 그로부터 벗어난다. 그러나, 탄화실리콘 재료의 흡수 용량은 탄화실리콘 기판의 가열로 이어지는 미러 층을 통과하는 레이저의 잔여 복사에 있어서 문제가 된다. 이것은 기판과 스캐너 드라이브 사이의 접착점의 고장 위험으로 이어진다. 반면에, 석영 유리는 이러한 경우에서 사용되는 IR 복사에 대해 흡수성을 갖지 않는다. 미러 층을 통과하는 잔여 복사는 스캐너 하우징 또는 상응하는 복사 트랩에서 흡수된다. 따라서, 본 발명에 따른 용접 시스템에서, 뚜렷하게 더 높은 복사 휘도를 갖는 레이저를 사용하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 특성들, 세부사항들 및 장점들이 첨부된 도면들에 기초하여 본 발명의 예시적인 실시예의 이어지는 설명에서 명시되었다. 도면들은 다음을 도시한다:
도 1은 레이저 용접 디바이스의 개략도,
도 2는 연결 평면 내의 레이저 용접 플랜트의 동작 필드의 상당히 확대된 개략적인 평면도,
도 3a 및 3b는 빔 지름에 의존하는 진동폭 너비를 나타낸 도 2로부터의 세부사항을 도시한 도면, 및
도 4a 및 4b는 연결 평면 내의 갑작스러운 변경 영역 내에서 연결 평면에 대해 수직으로 결합될 두 부분들을 통한 상당히 확대된 개략적인 세부 단면을 도시한 도면.

도 1로부터 분명한 바와 같이, 본 발명에 따라 제어되는 레이저 용접 디바이스는 방사선원으로서 광섬유 레이저(1)를 포함하고, 이것의 레이저 빔(2)은 단일 모드 광섬유(3)를 통해 시스템 내에 연결된다. 이러한 맥락에서, 레이저 빔(2)은 광섬유(3)로부터 시준 렌즈(5)를 포함하는 시준 디바이스(4) 내로 공급된다.

이러한 방식으로 시준되는 레이저 빔(2)은 정의된 초점 길이를 갖는 포커싱 렌즈(6)에 의해 포커싱된다.

포커싱된 레이저 빔(2)은 설명될 제어 방법에 따라서 스캐너 디바이스(7)를 통해 결합될 두 부분(8, 9) 상으로 다이렉팅되어 한 편으로는 주요 순공급(forward-feed) 방향(H)을 따라 연결 평면(F) 내에서 용접층(S)을 형성하도록 제1 선형 이동 성분 내에서 가이드된다. 이러한 맥락에서, 결합될 두 부분(8, 9)은 알려진 레이저 전파 용접이 용접층(S)을 생산하도록 사용될 수 있도록 클램핑 디바이스(10)를 통해 고정되어 서로 충분히 접촉한다. 따라서, 결합될 상단부(8)는 레이저 빔(2)에 대해 투과성인 반면, 결합될 하단부(9)는 흡수성이다. 레이저 빔(2)의 방사 에너지는 결합될 하단부(9)를 융해시키고, 열 전도를 통해 결합될 상단부(8) 또한 융해되며, 결합될 두 부분(8, 9) 사이의 물질-맞춤 접속(substance-fit connection)이 레이저 빔(2)의 경로를 따라 형성된다.

다른 한 편으로, 빔 지름(d)이 배치될 용접층의 타깃 너비(B)보다 상당히 더 작기 때문에, 타깃 너비(B)를 커버하기 위해서 예를 들어 대략 3 내지 6kHz의 고주파수 원형 이동일 수 있는 주요 순공급 방향(H)에 대해 횡방향으로 진동하는 제2 진동 이동 성분이 레이저 빔(2)에 제공된다. 따라서, 주요 순공급 방향(H)에서의 이동에 대한 중첩(superimposition)을 통해서, 도 2에서 쉽게 볼 수 있는 레이저 빔(2)의 나선형 이동이 획득된다. 주요 순공급 방향(H)과 이에 대해 횡방향으로 진동하는 이동 성분의 진동 주파수에서의 속도 비율에 따라서, 연속적인 나선형 경로들은 어느 정도 서로 오버랩된다.

주어진 한계 조건하에서, 결합될 두 부분(8, 9)은 다른 방식으로 레이저 빔(2)에 대해 실질적으로 투과성일 수도 있다. 그럼에도, 레이저 빔(2)의 높은 포커싱을 이용하여, 주어진 잔여 흡수 용량은 충분한 에너지 흡수 및 결합될 두 부분(8, 9)의 융해를 획득하기에 충분하다. EP 1 098 751 B1은 상응하는 방법을 기술하며, 이러한 방법에 따라서 높은 투과성의 두 재료가 파장 범위 1.8-2.2㎛ 내의 고유흡수로 인해 처리될 수 있다.

스캐너 디바이스(7)에서, 오직 하나의 스캐너 미러(11)가 도 1에 개략적으로 도시되었다. 일반적으로, 2차원 동작 필드(A)(도 2)를 커버하기 위해서 두 개의 미러가 사용되며, 각각의 미러는 x축 또는 개별적으로 y축에 따른 레이저 빔(2)의 편향(deflection)을 가능하게 한다. 이러한 맥락에서 미러(11) 상의 레이저 빔(2)의 빔 지름(d)은 대략 3mm와 10mm 사이에 있다.

도입에서 기술된 바와 같은 본 발명의 배경기술의 문제점은 다시 도 1을 참조하여 설명될 수 있다. 따라서, 결합될 부분(8, 9) 상에서 수직으로 부딪히는 레이저 빔(2)은 용접 디바이스의 동작 필드(A) 내의 중심에 배치되며 비교적 작은 치수, 즉 작은 빔 지름(d)을 포함한다.

중심 영역으로부터 바깥쪽을 향하는 레이저 빔(2)의 편향의 경우에서, 빔 방향(R)이 연결 평면(F)과 90°보다 더 작은 입사각(W)을 가정하도록, 스캐너 미러로부터 연결 평면(F)으로의 광학 경로가 연장되며, f-세타 옵틱(optic)이 보상을 위해 사용되지 않기 때문에 레이저 빔(2)의 포커스(f)는 연결 평면(F)에 대해 위쪽으로 시프트된다. 따라서, 결합될 두 부분(8, 9) 사이의 연결 평면(F)의 영역 내의 빔 지름(d)이 확대되며, 형태는 적어도 미세하게 타원형이다.

확대된 도 2에서, 중심 영역으로부터 바깥쪽을 향한 레이저 빔(2)의 증가하는 편향을 갖는 연결 평면 내의 빔 지름(d)의 변화가 개략적으로 제안되었다. 동작 필드(A)의 중심 영역에서의 빔 지름(d)은 작은 반면, 동작 필드의 에지 영역에서의 빔 지름(d')은 크다. 이제, 확대된 빔 지름(d')이 더욱 넓은 용접층(S)으로 이어지지 않음을 보장하기 위해서, 이로부터 발생한 레이저 빔(2)의 입사각(W) 및 편향에 상응하는 빔 지름(d)에 상응하는 도 2의 점선으로서 입력된 진동폭 너비(OAW)가, 동작 필드(A) 내의 위치 및 편향에 대해 독립적으로, 용접층(S)의 타깃 너비(B)에 대응하는 주요 순공급 방향(H)에 대해 횡방향인 빔 필드가 항상 레이저 빔(2)에 의해 커버되는 방식으로 적응된다. 중심 영역에서, 진동폭 너비(OAW)는 따라서 작은 빔 지름(d)으로 인해 크며 에지 영역에서는 그 반대가 적용된다. 작은 진동폭 너비(OAW')는 큰 빔 지름(d')을 보상한다.

설명의 방식으로, 이러한 관계는 도 3a 및 3b에서 레이저 빔(2)의 순수 원형 이동을 가지고 더욱 큰 해상도로 도시되었다. 도 3a는 동작 필드(A)의 중심 영역 내의 상황을 나타낸다. 빔 지름(d)은 작으며, 그에 따라 용접층(S)의 타깃 너비(B)에 상응하는 빔 필드를 조정하도록 진동폭 너비(OAW)는 크다.

도 3b에서, 도 3a의 상황과의 비교에 의해서 빔 지름(d')이 더 크도록 편향된 레이저 빔(2)을 갖는 상황이 도시되었다. 따라서, 진동폭 너비(OAW')는 더욱 작게 조정되며 그에 따라 생산될 용접층(S)의 타깃 너비(B)가 변하지 않고 남아있게 된다.

도 4a 및 4b에서, 결합될 두 부분(8, 9)의 표면 위상 내의 스텝(step)(12)에 걸친 이동을 재생산하는 상황이 도시되었다. 도 4a에서, 레이저 빔(2)은 비교적 미세하게 편향되며 그에 따라 입사각(W)이 약 90°로 배치된다. 원칙적으로, 이러한 맥락에서, 90°의 입사각(W)인 비-편향 레이저 빔의 경우에 포커스(f)가 결합될 두 부분들 사이의 연결 평면(F)의 다소 아래에 배치되도록 용접 시스템이 설계된다는 점이 인지되어야만 한다. 도 4a의 좌측에 점선으로 제안된 바와 같은 레이저 빔(2)의 편향의 증가로, 초점(f)은 연결 평면(F) 내로 쏠린 다음 그 위에서 위쪽을 향한다. 이러한 설계는 동작 필드(A)의 너비에 대한 빔 지름(d)의 변화가 비-편향 레이저 빔(2)의 경우에서의 초점이 연결 평면(F) 내에 배치된 설계와 비교해서 뚜렷하게 감소됨을 의미한다.

이제, 도 4b는 적어도 스텝(12)의 높이만큼 더 긴 레이저 빔(2)에 대한 광학 경로가 연결 평면(F)에 이르기까지 이동되어야만 하는, 스텝(12)에 걸친 이동 후의 상황을 도시한다. 그 위에서, 입사각(W')을 갖는 더 강한 편향을 통한 광학 경로의 더욱 큰 확대가 관찰되며, 그에 따라 레이저 빔이 레이저 빔 지름(d')을 갖는 연결 평면(F)을 때린다. 여기에서 또한, 도 4a 및 4b에 삽입된 두 평면도의 비교에 의해 볼 수 있는 바와 같이, 보상을 위해서 진동폭 너비(OAW')는 도 4a의 상황과의 비교에 의해 감소된다.

이러한 맥락으로, 스텝(12)은 한 편으로 컨트롤 내에 저장된 결합될 부분(8, 9)의 형태 좌표들을 통해서 레이저 빔 이동의 제어시에 소프트웨어에 의해 포함될 수 있다. 다른 한 편으로, 예를 들어 공초점, 크로매틱(chromatic) 측정 또는 레이저 삼각측정에 기초하여 스캐너에 의해 구현되는 거리 측정에 기초한 제어 파라미터의 적응을 수행하는 것 또한 가능하다.

Claims (23)

1. 초점(f)을 갖는 레이저에 의해 연결 평면(F) 내의 용접층(weld seam)(S)을 따라 열가소성 합성 재료들로 이루어진 결합될 두 부분(8, 9)을 용접하기 위한 방법으로서, 레이저 빔(2)은
   - 생산될 상기 용접층의 코스에 상응하는 제어 데이터를 이용한 제어 방법에 의해 동작 필드(A) 내에서 자신의 빔 방향(R)으로 제어되고,
   - 상기 생산될 용접층(S)의 타깃 너비(B)보다 더 작으며 상기 연결 평면(F) 상의 상기 레이저 빔(2)의 입사각(W) 및 상기 연결 평면(F)에 대한 상기 초점(f)의 위치 중 적어도 하나에 의존하는, 용접을 발생시키는 자신의 초점(f) 둘레의 영역 내의 빔 치수로서 빔 지름(d)을 포함하고,
   - 상기 생산될 용접층(S)의 트랙을 따라 주요 순공급 방향(principal forward-feed direction)(H)의 제1 선형 이동 성분 내에서 이동되고,
   - 진동폭 너비(OAW)를 갖는 상기 주요 순공급 방향(H)에 대해 횡방향인 상기 용접층 너비(B)를 커버하기 위해서 전자에 대해 중첩되는 제2 진동 이동 성분 내에서 이동되며,
   - 상기 제어 방법을 이용하여, 상기 진동폭 너비(OAW)는 상기 주요 순공급 방향(H)에 대해 횡방향으로 상기 레이저 빔(2)에 의해 스캐닝되는 빔 필드의 너비가 상기 용접층(S)의 상기 타깃 너비(B)와 일치하는 방식으로 상기 연결 평면(F) 내의 상기 빔 치수에 역으로 의존하여 조정되는 것으로 특징지어지는, 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어 방법에서, 상기 진동폭 너비(OAW)는 상기 빔 지름(d)에 의존하여 조정되는, 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이저 빔(2)의 상기 제2 진동 이동 성분은 상기 제1 선형 이동 성분 상에 중첩된 원형 이동에 의해 생성되는 것으로 특징지어지는, 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 진동폭 너비(OAW)의 사양이 기초하는 상기 연결 평면(F) 내의 상기 빔 지름(d)은 상기 레이저 빔(2)의 상기 빔 방향(R)의 제어 데이터로부터 결정되는 것으로 특징지어지는, 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 연결 평면(F) 상의 상기 레이저 빔(2)의 입사각(W)은 상기 진동폭 너비(OAW)의 사양에 대한 기초로서 사용되는 것으로 특징지어지는, 방법.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 연결 평면(F) 내의 상기 결합될 두 부분(8, 9)의 형태 데이터는 상기 진동폭 너비(OAW)의 사양에 대한 기초로서 사용되는 것으로 특징지어지는, 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 초점(f)의 위치는 상기 결합될 두 부분(8, 9) 사이의 상기 연결 평면(F) 아래의 상기 동작 필드(A)의 중심 영역 및 상기 결합될 두 부분(8, 9) 사이의 상기 연결 평면(F) 위의 상기 동작 필드(A)의 에지 영역 중 적어도 하나에서 조정되는 것으로 특징지어지는, 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 진동 이동 성분의 진동 주파수는 0.25kHz 내지 12kHz의 kHz 범위 내에 있는 것으로 특징지어지는, 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 진동 이동 성분의 진동 주파수는 3-6kHz의 kHz 범위 내에 있는 것으로 특징지어지는, 방법.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 동작 필드(A)는 500×500㎟ 내지 1200×1200㎟의 너비를 포함하는 것으로 특징지어지는, 방법.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 동작 필드(A)는 650×650㎟의 너비를 포함하는 것으로 특징지어지는, 방법.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔(2)의 상기 초점(f)은 0.3㎜ 내지 0.7㎜의 최소 스팟 지름(d)을 포함하는 것으로 특징지어지는, 방법.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔(2)의 상기 초점(f)은 0.4㎜의 최소 스팟 지름(d)을 포함하는 것으로 특징지어지는, 방법.
14. 제 1 항에 있어서,
    M² = 1.0 - 1.4의 범위 내의 높은 빔 품질을 갖는 레이저(1)가 빔의 생성을 위해 사용되는 것으로 특징지어지는, 방법.
15. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 치수로서, 상기 동작 필드(A) 위의 상기 레이저 빔(2)의 가이드를 위한 스캐너 디바이스(7) 상의 상기 레이저 빔(2)의 빔 지름(d)이 3㎜와 10㎜ 사이의 범위에 있는 것으로 특징지어지는, 방법.
16. 레이저 전송 프로세스에서 용접층(S)에 따른 열가소성 합성 재료들로 이루어진 결합될 두 부분(8, 9)의 용접을 위한 디바이스로서,
    - 레이저 소스(1),
    - 결합될 부분들(8, 9)을 위한 클램핑 디바이스(10),
    - 광학 레이저빔 컨디셔닝, 및
    - 상기 결합될 두 부분(8, 9) 사이에 형성될 상기 용접층(S)을 따라 상기 동작 필드(A) 위에서 상기 레이저 빔(2)을 가이드하기 위한 스캐너 디바이스(7)를 포함하되,
    상기 스캐너 디바이스(7)는 제 1 항에 따른 제어 방법에 의해 제어되는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
17. 제 16 항에 있어서,
    광섬유 레이저(1)의 사용에 의해 특징지어지는, 디바이스.
18. 제 16 항에 있어서,
    단일 모드 광섬유(3)를 통한 빔 커플링의 사용에 의해 특징지어지는, 디바이스.
19. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학 레이저 빔 컨디셔닝은 상기 스캐너 디바이스(7)의 상류의 시준 및 포커싱 렌즈(5, 6)를 이용하여 위치가 지정되는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
20. 제 16 항에 있어서,
    - 상기 스캐너 디바이스(7)로서, 상기 제1 선형 이동 성분을 갖는 상기 주요 순공급 방향(H)을 따라서 그리고 또한 상기 주요 순공급 방향(H)에 대해 횡방향인 상기 제2 진동 이동 성분에 상응하는 진동 이동을 따라서 상기 레이저 빔(2)을 가이드하는 것을 보장하는 단일 진동 미러 유닛(11)이 제공되는 것, 그리고
    - 상기 주요 순공급 방향(H)에 따른 상기 레이저 빔(2)의 상기 제1 선형 이동 성분의 생성을 위한 제1 스캐너 유닛 및 상기 주요 순공급 방향(H)에 대해 횡방향인 상기 제2 진동 이동 성분의 생성을 위한 상기 제1 스캐너 유닛의 상류에 접속된 제2 스캐너 유닛이 제공되는 중 하나로 특징지어지는, 디바이스.
21. 제 20 항에 있어서,
    빔 진동의 생성을 위한 상기 제2 스캐너 유닛으로서의 공진 스캐너 및 음향-옵틱 편향기 중 하나에 의해 특징지어지는, 디바이스.
22. 제 16 항에 있어서,
    석영으로 제조된 미러(mirror)(11)가 상기 스캐너 디바이스(7)에서 사용되는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
23. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학 레이저빔 컨디셔닝은 시준 및 포커싱 렌즈(5,6)을 기반으로 하는 것으로 특징지어지는, 디바이스.

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